EP3213068A1 - Bauelement auf basis eines strukturierbaren substrats mit dreidimensionaler, poren im nm-bereich aufweisender membranstruktur und halbleitertechnologisches verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Bauelement auf basis eines strukturierbaren substrats mit dreidimensionaler, poren im nm-bereich aufweisender membranstruktur und halbleitertechnologisches verfahren zu dessen herstellung

Info

Publication number
EP3213068A1
EP3213068A1 EP15784646.0A EP15784646A EP3213068A1 EP 3213068 A1 EP3213068 A1 EP 3213068A1 EP 15784646 A EP15784646 A EP 15784646A EP 3213068 A1 EP3213068 A1 EP 3213068A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
substrate
etching
carrier
pores
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP15784646.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Lisec
Eric Nebling
Stefan Kubick
Steffen Rupp
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP3213068A1 publication Critical patent/EP3213068A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/483—Physical analysis of biological material
    • G01N33/487—Physical analysis of biological material of liquid biological material
    • G01N33/48707—Physical analysis of biological material of liquid biological material by electrical means
    • G01N33/48721—Investigating individual macromolecules, e.g. by translocation through nanopores
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D67/00—Processes specially adapted for manufacturing semi-permeable membranes for separation processes or apparatus
    • B01D67/0039—Inorganic membrane manufacture
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C1/00—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
    • B81C1/00015—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems
    • B81C1/00023—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems without movable or flexible elements
    • B81C1/00087—Holes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/416—Systems
    • G01N27/447—Systems using electrophoresis
    • G01N27/44756—Apparatus specially adapted therefor
    • G01N27/44791—Microapparatus
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/02—Sensors
    • B81B2201/0214—Biosensors; Chemical sensors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/05—Microfluidics
    • B81B2201/051—Micromixers, microreactors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2203/00—Basic microelectromechanical structures
    • B81B2203/01—Suspended structures, i.e. structures allowing a movement
    • B81B2203/0127—Diaphragms, i.e. structures separating two media that can control the passage from one medium to another; Membranes, i.e. diaphragms with filtering function
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2203/00—Basic microelectromechanical structures
    • B81B2203/03—Static structures
    • B81B2203/0353—Holes

Definitions

  • the present invention relates to a device which is suitable for the investigation of biological species, in particular for the electrochemical measurement and characterization of
  • Transmembrane proteins and for this purpose has a freestanding, three-dimensionally shaped, porous membrane structure with pores in the nanometer range, and a method for its preparation.
  • fine-pored structures made of glass or Teflon are used for the measurements of
  • Transmembrane proteins used.
  • a lipid bilayer is stretched over the mostly singular pore with diameters of a few ⁇ m to 150 ⁇ m, into which the transmembrane proteins are subsequently introduced.
  • these porous structures are difficult to manufacture and therefore expensive and, on the other hand, they have to be used several times, so they must be able to be cleaned.
  • such pore structures are increasingly produced by means of semiconductor processes in silicon or other structurable materials, wherein the required electrodes can be integrated as microelectrode structures.
  • Thin polymer membranes with periodically arranged pores can be prepared by self-assembling structures using the so-called Breath- Figures method, as described, for example, in J. Peng, "The influencing factors on the macroporous formation in polymer films by water droplet templating" , Y. Han, Y. Yang, B.Li, Polymer, 45 (2004) 447-452.
  • the process is based on the ordered condensation of monodisperse water droplets on a thin polymer-solvent layer in a humid atmosphere. After evaporation of water and solvent remains a polymer film with a pore pattern, the "impressions" of the droplets accordingly.
  • Two-dimensional arrays are used in their sedimentation from a dispersion or under the influence of capillary forces for the production of a porous membrane, for example described by K. Nagayama in “Two-dimensional self-assembly of colloids in thin liquid films", Colloids and Surfaces A , 109 (1996) 363-374. Originally developed for photonic crystals, the process was described in "Electrochemical deposition of macroporous platinum, palladium and cobalt films using polystyrene latex sphere templates" by P.N.
  • the object of the present invention is to provide a membrane which has pores with diameters in the nanometer range and despite the extremely small thickness required for this purpose (usually about 100 nm to 2 ⁇ ) has a high stability, as an integral part of a device the production of the device should be designed so that it is easy to generate microelectrodes in close proximity to the membrane and thus the pores therein to allow very sensitive spatially resolved electrochemical measurements, and wherein the device without difficulty in larger components or Other larger structures or assemblies with other, possibly complex structures can be integrated so that a coupling to fluidic systems is readily possible.
  • the present invention provides a freestanding, three-dimensionally shaped, porous membrane which can be fabricated by micromechanical techniques as an integral part of a device.
  • the advantage compared to a planar membrane is on the one hand in the increased area and the higher rigidity, since the single 3D structure can be chosen comparatively small.
  • the towers
  • the porous membrane is preferably formed of an inorganic material, alternatively, in some embodiments, of a synthetic organic polymer (a plastic) or latex.
  • the pores themselves are preferably produced without lithographic processes, either directly during membrane deposition or by means of a suitable aftertreatment. Multiple membranes / membrane structures can be in an array
  • the membrane is part of a device as defined in claim 1.
  • the device comprises a support of a suitable, structurable material having at least one through opening which is closed by the porous membrane
  • the porous membrane protrudes from the surface of the component surrounding the through-opening, preferably by about 5 to 300 ⁇ m. It is favorable if the component has at least one electrode or a pair of electrodes in the vicinity of the opening on the side facing away from the membrane. This can be directly on the surface surrounding the opening of the device or on a thereon
  • the component may have an array of a plurality of arbitrarily arranged openings, each of which is closed by a porous membrane as described above and optionally provided with electrodes (pairs).
  • the individual openings usually have a diameter of only a few
  • the porous membrane may have a structure which is in the manner of a bubble (approximately ovate or spherical) from the
  • the diameter of the porous membrane in this case is greater than that of the opening.
  • Cheap diameters for such membrane structures are in the range of about 5 ⁇ to about 200 ⁇ .
  • the porous membrane may also be cylindrical, trichterer- or pyramid-shaped and thereby have rounded corners and / or edges.
  • the shape of the opening corresponds to the layout of the membrane.
  • the expansion of the porous membrane parallel to the surrounding surface may also be greater than the opening.
  • FIG. 7 A schematic representation of this device (here with an oval shape of the membrane) is shown in FIG.
  • the pores 7 of the membrane itself are in the nanometer size range, i. they have an average diameter between 1 and 1000 nm, preferably between 50 and 1000 and more preferably between 50 and 500 nm with a membrane thickness of usually about 0, 1 to 2 ⁇ .
  • 1 denotes the substrate
  • reference numeral 9 denotes the electrodes arranged on both sides of the openings.
  • a structurable planar substrate such as a silicon wafer or a silicon chip. This will be explained in more detail below with reference to Figures 3a to g, 4 and 5a to c, which are vertical
  • the material that will later serve as a support for the 3D membrane structure is deposited on the substrate using standard techniques.
  • This can be, for example, an oxide / poly-Si / oxide stack.
  • the substrate material should be able to be etched with high selectivity to the support material. In the case of an oxide / poly-Si / oxide stack, this is ensured by the oxide layers, while the poly-Si provides mechanical stability.
  • the thickness of the poly-Si should therefore generally be between about 5 and 100 ⁇ m, preferably between 10 and 50 ⁇ m.
  • Poly-Si layers of such thickness can be made by means of special CVD processes, for example in the epitaxy reactor at temperatures of 900-1000 ° C.
  • the thickness of the oxide layers produced by means of conventional CVD processes, for example LPCVD (low pressure chemical vapor deposition), is preferably in the range between 0.2 and 1 ⁇ m.
  • LPCVD low pressure chemical vapor deposition
  • a nitride or oxynitride for example in the form of a nitride / poly-Si / nitride stack.
  • the oxides, nitrides and oxynitrides may be those of silicon or metal oxides, nitrides or oxynitrides.
  • FIG. 3a shows the product of these two steps; the silicon substrate 1 used there is on its upper side with a triple layer sequence (oxide / nitride 2, poly-Si 3, oxide / nitride 4, wherein the oxide or nitride is preferably a compound of silicon) and back also provided with a (silicon) oxide or nitride layer 2 ', which, however, need not be present at least at this time.
  • RIE reactive ion etching
  • a suitable process preferably a CVD
  • a protective layer for example an oxide deposited in the blind hole, which completely lines the blind hole. This is achieved for example by a CVD method using TEOS (tetraethoxysilane), wherein silicon oxide is deposited.
  • the protective layer is at least removed from the bottom of the blind hole again. If the protective layer is an oxide, this is possible, for example, by anisotropic etching with the aid of RIE, so that the protective layer is retained only on the (usually vertical) walls of the blind hole.
  • the shape of the later membrane is set or prepared: it can correspond to the walls of the blind hole, or further etching steps can be carried out be removed with which further material from the substrate in the vicinity of the blind hole.
  • This is usually an isotropic etching process, with which, for example, an undercut of the blind hole and rounded shapes can be achieved, which is favorable in view of the shape of the subsequent membrane.
  • Suitable etching gas for this purpose are the customary etching gases for silicon in IC technology, for example one of the gases SF 6, CF 4 and CHF 3 and a mixture of two or more of these gases.
  • the product of this step ie the formation of a deviating from the blind hole shape for the subsequent membrane is shown schematically in Fig. 3c.
  • the blind hole (rounded in this embodiment) is designated by the reference numeral 5. After determining the shape of the blind hole this is in a first, significant
  • Embodiment of the invention isotropically lined with a layer that represents a key position for further action: either this layer is later transferred into the porous membrane, or it serves as an auxiliary layer for the preparation of the porous membrane.
  • this layer is a silicon oxide layer. If the blind hole has not been widened by etching and the silicon oxide protective layer 6 is still completely present, the layer 6 can be used for this purpose. In general, and in particular if the blind hole has only been given its final shape by the etching step mentioned above (the oxide, of course, remaining only in the unetched neck areas of the blind hole due to its use as etch masking), this oxide is removed, and a new one
  • Oxide layer is conformally deposited in the possibly enlarged blind hole, which completely lines the etched cavity, preferably with a thickness of 0, 1 to 2 ⁇ .
  • the above-mentioned LPCVD method can be used.
  • the blind hole may be isotropic with such after removal of the oxide layer 6 in this step
  • Material can be lined, which is selected as desired and taking into account the various methods that can be used for generating the pores.
  • Layers and these can basically be used without restriction, of course, the respective conditions (eg the compatibility of the other components for the temperature at which the selected method must be at least performed) are taken into account.
  • materials which are converted into a porous membrane or can serve as an auxiliary layer for this purpose in addition to silicon oxide CVD-deposited poly-Si or silicon nitride, by sputtering or galvanically from liquid phase or by ALD (atomic layer deposition) applied metals such as aluminum or Gold and organic polymers such as polystyrene or parylene.
  • ALD atomic layer deposition
  • a temporary support layer for stiffening the 3D structure before and / or during the formation of the porous membrane or a layer which is selected as an auxiliary layer for the subsequent generation of the pores in the membrane material, and / or an etch-resistant layer in the release of the 3D structure be required or favorable and follow the deposition of said layer.
  • poly-Si deposited by means of LPCVD, or a metal deposited by sputtering, CVD or liquid phase, for example by electrodeposition may serve as the temporary support layer.
  • various metal oxides can be used as the etching-protection layer, deposited by means of ALD, for example Al 2 O 3 , TiO 2 , ZrO 2 .
  • ALD atomic layer deposition
  • poly-Si deposited by LPCVD or a metal layer deposited by sputtering may also be required.
  • the deposition process ensures a complete and as far as possible conformal lining of the 3D cavity produced in the substrate.
  • the temporary support layer and / or the other auxiliary layers are subsequently removed from the substrate surface using a conventional resist mask in a second lithography step by means of appropriate etching processes.
  • a conventional resist mask in a second lithography step by means of appropriate etching processes.
  • Embodiments of silicon oxide consists) only a temporary support layer 8 is shown.
  • suitable on the support surface preferably in the vicinity of the blind hole opening
  • Metal electrodes deposited and patterned for example, a metal such as Pt, Au, Ir
  • the metal electrode (s) may be generated by, for example, a lift-off process.
  • a resist mask is applied to the substrate (or the upper Si0 2 layer of the carrier material stack).
  • the metal is deposited, for example by vapor deposition.
  • the substrate is exposed to a solvent.
  • the resist mask is dissolved and the metal thereon removed from the substrate. In areas where there was no paint, the metal remains on the surface. This step is called the "third lithography step".
  • the deposition of the metal electrodes is preferably carried out after the formation of the layers described above and before the release of the 3D structure explained below; This step can also be before or after the
  • the 3D structure is released.
  • the material surrounding the 3D structure of the substrate ie silicon in the case of a silicon chip or wafer, must be removed. This is done on the back of the substrate, which usually already has one Oxide or nitride layer is covered, an etching opening defined (this step is referred to as fourth lithography step), or the entire substrate surface is exposed.
  • Front side is passivated by a suitable protective layer, for example a photoresist.
  • the material of the substrate is subsequently etched away by means of known methods at the desired locations. In the case of Si as a substrate, this can be done by means of DRIE (deep reactive ion etching) and / or in XeF 2 gas phase.
  • DRIE deep reactive ion etching
  • XeF 2 gas phase the exposed 3D structures remain anchored in the thick poly-Si layer (the carrier material) produced at the beginning of the process, see FIG. 3e.
  • the originally present substrate can be completely etched away, or parts needed for specific purposes can be left standing
  • the protective varnish from the front side is preferably removed in the 0 2 plasma.
  • solvents are also possible.
  • a polymer film 11 having an array of preferably monodisperse pores covering the entire back see FIG. 3f.
  • the application of the polymer can be carried out, for example, from a solution, for example from a polystyrene solution in an organic solvent.
  • the pores in the polymer film can be prepared by dry etching (Reactive Ion Etching, RIE) as described in the
  • the front surface of the substrate may need to be passivated by a suitable protective layer, for example a photoresist, to avoid damaging the structures and layers thereon.
  • an array of monodisperse particles can also be applied to the backside.
  • the particles may for example consist of an organic material, such as polystyrene (PS), polymethyl methacrylate (PMMA) or latex, or of an inorganic material such as silicon oxide.
  • PS polystyrene
  • PMMA polymethyl methacrylate
  • latex or of an inorganic material such as silicon oxide.
  • the size of the particles should be chosen so that the distance between adjacent particles in the array of the desired
  • Pore size approximately corresponds.
  • dry etching Reactive Ion Etching, RIE
  • the pore geometry of the particle array can be transferred into the material of the 3D structure.
  • this material is preferably silica; but it may also be the materials mentioned in the previous paragraph.
  • the further (n) existing layers, ie the temporary support layer 8 and / or the auxiliary and / or the etching protection layer (s), are selectively removed from the inside of the 3D structure, so that only the porous membrane remains, as shown in FIG. 3g.
  • the etching processes required for this purpose must have a high selectivity relative to the membrane material.
  • the support layer consists of poly-Si
  • this can be removed by time-controlled etching in an XeF 2 gas phase.
  • XeF 2 etches only a few metals, such as Mo and W, and slightly silicon nitride.
  • the porous polymer film is preferably removed from the outside of the 3D structure as well. This can be done by means of 0 2 plasma.
  • the transfer of the pore structure of the polymer film in Fig. 3f should preferably be carried out from the gas phase or by means of a plasma.
  • the porous 3D structure may also be formed by an organic polymer film as such. In this case, for example, using the breath-figure method, a polymer film 11 having an array of preferably monodisperse pores can be formed.
  • both the temporary support layer 8 and the (in this case, preferably used) silicon oxide 7 are removed by etching in the gas phase, so that only the porous polymer film 1 1 remains.
  • the silicon oxide 7 serves in this embodiment as an auxiliary layer for the formation of the later membrane.
  • the size of the pores in the free-standing 3D structure, their mechanical stability and physical-chemical properties can be optimized by depositing additional layers.
  • the layer deposition takes place on the back of the substrate, from which protrude the porous 3D structures. Since the freestanding 3D structures are sensitive, processes are preferred which are characterized by a conformal coating from the
  • Distinguish gas phase at the lowest possible process temperatures are the deposition of parylene by means of CVD or the deposition of metal oxides or nitrides by means of atomic layer deposition.
  • the free-standing 3 D structure is coated at least on the outer surface and in the pore openings, so that the diameter of the pores reduces uniformly. However, the 3D structure is preferably coated on all sides with a layer 12, see FIG. 4.
  • the free-standing 3D structure is made of metal, which is produced only after the 3D structure has been removed from the silicon dioxide layer, or such a metal is used for pore formation.
  • a metal for example, an array of monodisperse particles, as already described, can be used as a mold for a galvanic deposition.
  • a plating start-up layer for example of gold, must be applied to the cut-out 3D structure according to FIG. 3e, for example by sputtering.
  • the particle array is then produced on the electroplating start layer, analogously to the polymer film as described for FIG. 3f.
  • the particles are removed in a suitable solvent. Afterwards, the electroplating start layer has to leave the pores
  • etching reactive Ion Etching, RIE
  • RIE reactive Ion Etching
  • the oxide can be, for example, in HF gas phase with high selectivity to many others
  • the porous membrane is produced not only after the release of the 3D structure from the rear, but as part of the layer sequence which lines the recess in the substrate according to FIG. 3d. That has that
  • silicon oxide is preferably first deposited in the process sequence according to FIG. 3d as a temporary support layer 13 and then the actual membrane material 14 in a suitable thickness, preferably in a thickness of 0.1 to 2 ⁇ m, which is illustrated in FIG. 5a.
  • it is already intrinsically porous. Intrinsically porous are, for example, thin poly-Si layers, which in the
  • Epitaxy reactor at temperatures of 900-1000 ° C were deposited. Many dielectrics as well as metal layers are nanoporous when deposited at low temperatures (up to 250 ° C). By etching, the nanopores can be widened. In aluminum, pores can be produced by anodic oxidation. For the anodization, a conductive auxiliary layer is required below the aluminum, for example made of gold.
  • Fig. 5b shows the device after exemption of the 3D structure analogous to Fig. 3e.
  • the porous membrane 14 is still covered on the outside by the silicon oxide layer 13, the first material with which the blind hole predetermining the shape of the 3D structure was lined in the substrate.
  • the auxiliary layer required in this case can then be removed by wet-chemical etching in a suitable solvent.
  • the pores may also be transferred to the auxiliary layer, eg by a dry etching process.
  • the finished device after removal of the silicon oxide is shown in Fig. 5c.
  • the oxide 13 can be removed, for example, in an HF gas phase.
  • Substrate material are required, this can also be completely removed or thinned by mechanical means.
  • the substrate is thinned to the required thickness by grinding and polishing before generating the masking (fourth lithography step) on the backside of Figs. 3e and 5b. It can also be completely removed by further grinding / polishing and final full-area etching. In this case, the masking is omitted.
  • a carrier substrate 15 is conveniently applied or mounted on the front side of the carrier, for example, by bonding with an adhesive layer before the silicon substrate is partially or completely removed.
  • One or more fluidic channels may be integrated into this carrier substrate, or such channels 16 may be formed between the front side of the coated polysilicon stack and the carrier substrate. It should be understood that any membrane structure on the wafer or chip, such as shown in FIG. 1, may be provided with such a carrier substrate. Furthermore, the electrodes 9 can also be located in the channels 16 of the carrier substrate 15 instead of on the front side of the carrier.
  • structures formed on whole wafers or larger chips carrying a plurality or a plurality of porous membrane structures may be singulated, for example, by sawing the wafer.
  • the isolated or individual finished component can also be present only one or more porous membrane structures. This allows either single measurements or simultaneous multi-parameter measurements or simultaneous measurements of various
  • the porous membrane-equipped devices of the present invention are useful for electrochemical measurements and characterizations of transmembrane proteins incorporated into nanoporous 3-D structures.
  • a pore chip can directly into a Reactor for, for example, cell-free protein synthesis can be installed because it is small, inexpensive to manufacture and designed as a disposable article.
  • the synthesized proteins are incorporated directly into the lipid-bearing nanopores and measured. Since the microstructured electrodes are directly adjacent to the pores, the device according to the invention can be used to measure highly sensitively; Due to the low production costs and the simple design, each component can be discarded after use and replaced by a new component.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Food Science & Technology (AREA)
  • Hematology (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Urology & Nephrology (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Micromachines (AREA)
  • Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)
  • Investigating Or Analysing Biological Materials (AREA)
  • Peptides Or Proteins (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bauelement, umfassend einen Träger aus einem strukturierbaren Material mit mindestens einer durchgehenden Öffnung, die von einer porösen Membran verschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Membran aus der die durchgehende Öffnung umgebenden Fläche des Bauelements herausragt. In manchen Ausgestaltungen umfasst das Bauelement weiterhin ein Trägersubstrat, wobei eine zum Bauelement weisende Seite des Trägersubstrats und die gegenüberliegende Seite des Bauelements vorzugsweise einen Fluidkanal bilden, wobei im bevorzugten Fall die mindestens eine durchgehende Öffnung des Trägers auf ihrer unverschlossenen Seite mit dem Fluidkanal kommuniziert. Das erfindungsgemäße Bauelement eignet sich zum Einbau und zur elektrochemischen Vermessung von Transmembranproteinen, vorzugsweise in Doppel- Lipidschichten. Die Erfindung schlägt auch verschiedene Verfahren zur Herstellung des Bauelements vor.

Description

Bauelement auf Basis eines strukturierbaren Substrats mit dreidimensionaler, Poren nm-Bereich aufweisender Membranstruktur und halbleitertechnologisches Verfahren dessen Herstellung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bauelement, das sich zur Untersuchung von biologischen Species, insbesondere zur elektrochemischen Messung und Charakterisierung von
Transmembranproteinen, eignet und für diesen Zweck eine freistehende, dreidimensional geformte, poröse Membranstruktur mit Poren im Nanometer-Bereich aufweist, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung. Generell werden feinporige Strukturen aus Glas oder Teflon für die Messungen von
Transmembranproteinen verwendet. Hierbei wird über die meistens singulare Pore mit Durchmessern von wenigen μηη bis zu 150 μηη eine Lipid-Doppelschicht gespannt, in die nachfolgend die Transmembranproteine eingebracht werden. Diese porentragenden Strukturen sind zum einen schwer herzustellen und deshalb teuer und zum anderen mehrfach zu verwenden, müssen also gereinigt werden können. Seit einiger Zeit werden deshalb vermehrt derartige Porenstrukturen mittels Halbleiterprozessen in Silizium oder anderen strukturierbaren Materialien gefertigt, wobei sich die benötigten Elektroden als Mikroelektrodenstrukturen integrieren lassen. Der Vorteil ist hierbei, dass diese„Porenchips" als relativ kostengünstiger Einwegartikel ausgelegt werden können. Ein Nachteil ist, dass je kleiner die Pore ist, desto dünner auch die sie tragende Membran sein muss, um hier den Porencharakter beizubehalten und keinen„dünnen Tunnel" zu erzeugen. Die porentragenden Strukturen werden folglich instabil, da kleine Porengeometrien gefordert werden.
Im Artikel "A chip-based biosensor for the functional analysis of Single ion Channels", von C. Schmidt, M. Mayer, H. Vogel, Angew. Chem. Int. Ed., 2000, 39, No. 17, 3137-3140 wird die Herstellung einer planaren Membran mit Poren im μΓη-Bereich beschrieben. Die Herstellung erfolgt dadurch, dass in einem mit Si3N4 beschichteten Si-Chip durch eine Kombination von anisotropem KOH-Silizium-Atzen und Reaktiv-Ionen-Atzen der dadurch erhaltenen Öffnung bis zur Si3N4-Schicht diese freigestellt und sodann durch einen Atzprozess mit einer oder wenigen Poren versehen wird. Beidseitig wird dann auf die verbliebenen Oberflächen Si02 aus der Gasphase aufgebracht. Der Chip wird schließlich in PDMS eingebettet, und die Poren werden mit einer Lipidmembran überspannt. Die Anzahl der Poren bleibt allerdings gering. Fig. 2 zeigt schematisch den Aufbau einer solchen Anordnung.
Von C. Striemer et. al., "Charge- and size-based Separation of macromolecules using ultrathin Silicon menbranes", Nature Letters, Vol. 445, 15 February 2007, 749-753, wird die Herstellung einer porösen Siliziummembran berichtet, die eine Vielzahl von Poren mit Durchmessern im Bereich von 9 bis 35 nm aufweist und sich für die ladungs- und größenbasierte Trennung von biologischen bzw. organischen Makromolekülen eignet. Das Verfahren umfasst die beidseitige thermische Abscheidung einer Si02-Schicht auf einem Siliziumsubstrat, die rückseitige
Entfernung eines Teils und die völlige frontseitige Entfernung des Oxids und das Abscheiden einer Dreifachschicht aus Oxid/a-Silizium/Oxid mit 15 nm dicker a-Siliziumschicht, wobei unter a-Silizium amorphes Silizium zu verstehen ist, einen schnellen Temperschritt, bei dem das a- Silizium unter spontaner Ausbildung der Nanometer-Poren in nanokristallines Silizium umgewandelt wird, und das Freistellen dieser Schicht durch Wegätzen der Oxidschichten. Die entstandene Siliziummembran besitzt eine Vielzahl unregelmäßig verteilter Mikroporen.
Nachteilig dabei bleibt jedoch das ungünstige Volumen-Flächen-Verhältnis dieses Chips. Wird die Membran vergrößert, verringert sich deren Stabilität. Zudem ist die fluidische Ankopplung volumen-mikromechanisch hergestellter Bauelemente bzw. deren Integration in ein System kompliziert.
Dünne Polymer-Membranen mit periodisch angeordneten Poren lassen sich mithilfe sich selbst organisierender Strukturen unter Verwendung der sogenannten Breath-Figures-Methode herstellen, wie zum Beispiel in "The influencing factors on the macroporous formation in polymer films by water droplet templating" von J. Peng, Y. Han, Y. Yang, B. Li, Polymer, 45 (2004) 447-452, beschrieben. Das Verfahren beruht auf der geordneten Kondensation monodisperser Wassertröpfchen auf einer dünnen Polymer-Lösemittel-Schicht in feuchter Atmosphäre. Nach Verdampfen von Wasser und Lösungsmittel verbleibt ein Polymer-Film mit einem Porenmuster, den "Abdrücken" der Tröpfchen entsprechend. Ein Überblick über verschiedene Variationen ist in "Advances in fabrication materials of honeycomb structure films by the breath-figure method" von L. Heng, B. Wang, M. Li, Y. Zhang and L. Jiang zu finden, Materials, 6 (2013), 460-482. Alternativ kann die Selbstorganisation kolloidaler, monodisperser Partikel zu
zweidimensionalen Arrays bei deren Sedimentation aus einer Dispersion oder unter dem Einfluss von Kapillarkräften für die Erzeugung einer porösen Membran genutzt werden, zum Beispiel beschrieben von K. Nagayama in "Two-dimensional self-assembly of colloids in thin liquid films", Colloids and Surfaces A, 109 (1996) 363-374. Ursprünglich entwickelt für photonischer Kristalle, wurde das Verfahren in "Electrochemical deposition of macroporous platinum, palladium and cobalt films using polystyrene latex sphere templates" von P. N.
Bartlett, P. R. Birkin and M. A. Ghanem, Chem. Commun., 2000, 1671-1672, zur Herstellung einer Metall-Schicht mit periodisch angeordneten Poren verwendet.
In " Rapid fabrication of nanoporous membrane arrays and single-pore membranes from parylene C†" von R. Thakar, R. Zakeri, C. A. Morris and L. A. Baker, Anal. Methods, 4 (2012), 4353-4359, wird eine Membran aus Parylene C mit periodisch angeordneten sub^m-Poren durch Beschichtung eines Kupfergitters mit sehr viel größeren Öffnungen (10 μηη Durchmesser und mehr) hergestellt. Dank der hohen Konformität der Parylene-Abscheidung sind Größe und Form der entstehenden Poren sehr gut definiert.
In dem Artikel "Fully integrated micro Coriolis mass flow sensor operating at atmospheric pressure", von R. J. Wiegerink et. al., Proc. MEMS Conf., Cancun, Mexico, 201 1 January 23-27, 1 135-1 138, wird ein Massenfluss-Sensor vorgestellt, dessen fluidischer Kanal im Substrat erzeugt und anschließend durch teilweises Wegätzen des Substrates freigestellt wird.
Mit ähnlichen Techniken wurden von Y. Xie, N. Banerjee, C. H. Mastrangelo hohle, nahezu sphärische Partikel aus Parylen hergestellt, wie von diesen Autoren in "Microfabricated spherical pressure sensing particles for pressure and flow mapping", Proc. Transducers Conf., Barcelona, Spain, 2013 June 16-20, 1771-1774 berichtet. Diese wurden zuerst innerhalb einer Ausnehmung in einem Siliziumsubstrat gebildet und anschließend vollständig davon abgelöst.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt in der Bereitstellung einer Membran, die Poren mit Durchmessern im Nanometerbereich aufweist und trotz der hierfür erforderlichen extrem geringen Dicke (in der Regel etwa 100 nm bis 2 μηη) eine hohe Stabilität besitzt, als integraler Bestandteil eines Bauelements, wobei die Herstellung des Bauelements so ausgelegt sein soll, dass sich auf einfache Weise Mikroelektroden in großer Nähe zu der Membran und damit den darin vorhandenen Poren erzeugen lassen, um sehr sensitive ortsaufgelöste elektrochemische Messungen zu ermöglichen, und wobei sich das Bauelement ohne Schwierigkeiten in größere Bauelemente oder sonstige größere Strukturen oder Baugruppen mit weiteren, gegebenenfalls komplexen Strukturen integrieren lässt, sodass eine Ankopplung an fluidische Systeme ohne weiteres möglich ist.
In Lösung dieser Aufgabe stellt die vorliegende Erfindung eine freistehende, dreidimensional geformte, poröse Membran bereit, die sich mittels mikromechanischer Techniken als integraler Bestandteil eines Bauelements herstellen lässt. Der Vorteil im Vergleich zu einer planaren Membran liegt zum einen in der vergrößerten Fläche und der höheren Steifigkeit, da die einzelne 3D-Struktur vergleichsweise klein gewählt werden kann. Zum anderen ragt die
Membranstruktur aufgrund ihrer Dreidimensionalität aus der Fläche des Bauelements heraus, so dass sie von einem Flüssigkeitsmedium leichter erreicht wird, was eine Interaktion erleichtert. Die poröse Membran ist vorzugsweise aus einem anorganischen Material, alternativ in manchen Ausgestaltungen aus einem synthetischen organischen Polymer (einem Kunststoff) oder Latex gebildet. Die Poren selbst werden bevorzugt ohne lithographische Prozesse erzeugt, und zwar entweder unmittelbar bei der Membranabscheidung oder mit Hilfe einer geeigneten Nachbehandlung. Mehrere Membranen/Membranstrukturen können in einem Array
zusammengefasst werden bzw. angeordnet sein. Die Membran ist Bestandteil eines Bauelements wie in Anspruch 1 definiert. Das Bauelement umfasst einen Träger aus einem geeigneten, strukturierbaren Material mit mindestens einer durchgehenden Öffnung, die von der porösen Membran verschlossen ist, dadurch
gekennzeichnet, dass die poröse Membran aus der die durchgehende Öffnung umgebenden Fläche des Bauelements herausragt, vorzugsweise um etwa 5 bis 300 μηη. Es ist günstig, wenn das Bauelement in der Nachbarschaft der Öffnung auf der der Membran abgewandten Seite mindestens eine Elektrode oder ein Elektrodenpaar aufweist. Diese kann direkt auf der die Öffnung umgebenden Fläche des Bauelements oder auf einer darauf befindlichen
Zwischenschicht angeordnet sein. Das Bauelement kann ein Array von mehreren, beliebig angeordneten Öffnungen aufweisen, von denen jede einzelne wie oben beschrieben von einer porösen Membran verschlossen und ggf. mit Elektroden(-Paaren) versehen ist.
Die einzelnen Öffnungen besitzen in der Regel einen Durchmesser von nur wenigen
Mikrometern, vorzugsweise im Bereich von 5 bis 100 μηη. Die poröse Membran kann eine Struktur besitzen, die nach Art einer Blase (in etwa eiförmig oder sphärisch) aus der
umgebenden Fläche des Bauelements herausragt. In der Regel ist der Durchmesser der porösen Membran in diesem Fall größer als der der Öffnung. Günstige Durchmesser für derartige Membranstrukturen liegen im Bereich von etwa 5 μηη bis etwa 200 μηη. Die poröse Membran kann auch zylinder-, trichter- oder pyramidenförmig geformt sein und dabei abgerundete Ecken und/oder Kanten besitzen. In diesem Fall entspricht die Form der Öffnung dem Grundriss der Membran. Dabei kann die Ausdehnung der porösen Membran parallel zu der umgebenden Fläche ebenfalls größer sein als die Öffnung.
Eine schematische Darstellung dieses Bauelements (hier mit ovaler Form der Membran) ist in Figur 1 gezeigt. Die Poren 7 der Membran selbst liegen im Nanometer-Größenbereich, d.h. sie haben einen durchschnittlichen Durchmesser zwischen 1 und 1000 nm, vorzugsweise zwischen 50 und 1000 und stärker bevorzugt zwischen 50 und 500 nm bei einer Membrandicke von in der Regel etwa 0, 1 bis 2 μηη. Mit 1 ist das Substrat bezeichnet, die Bezugsziffer 9 bezeichnet die beidseitig der Öffnungen angeordneten Elektroden.
Erhältlich sind die erfindungsgemäßen Membranstrukturen bzw. die damit versehenen
Bauelemente beispielsweise ausgehend von einem strukturierbaren flächigen Substrat, wie einem Siliziumwafer oder einem Siliziumchip. Dies soll nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 3a bis g, 4 und 5a bis c näher erläutert werden, bei denen es sich um vertikale
Schnittzeichnungen durch die jeweiligen Konstrukte hindurch handelt. Es sei darauf
hingewiesen, dass die Poren in der Membran in den Figuren 3, 5 und 6 anders als in Figur 1 zur Vereinfachung nicht dargestellt sind. Zuerst wird das Material, das später als Träger für die 3D-Membranstruktur dienen soll, mit Standardtechniken auf dem Substrat abgeschieden. Das kann zum Beispiel ein Oxid-/poly- Si/Oxid-Stack sein. Das Substratmaterial sollte mit hoher Selektivität zum Trägermaterial geätzt werden können. Im Falle eines Oxid/poly-Si/Oxid-Stacks wird dies durch die Oxidschichten gewährleistet, während das poly-Si für die mechanische Stabilität sorgt. Die Dicke des poly-Si sollte daher in der Regel zwischen etwa 5 und 100 μηη, vorzugsweise zwischen 10 und 50 μηη liegen. Poly-Si-Schichten mit solcher Dicke können mittels spezieller CVD-Prozesse hergestellt werden, zum Beispiel im Epitaxiereaktor bei Temperaturen von 900-1000°C. Die Dicke der Oxidschichten, erzeugt mittels herkömmlicher CVD-Prozesse, zum Beispiel LPCVD (low pressure chemical vapor deposition), liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 0,2 und 1 μηη. Anstelle des Oxids kann auch ein Nitrid oder Oxynitrid eingesetzt werden, zum Beispiel in Form eines Nitrid/poly-Si/Nitrid-Stacks. Bei den Oxiden, Nitriden und Oxynitriden kann es sich um solche des Siliziums oder um Metalloxide, -nitride bzw. oxynitride handeln. Durch diesen Stack (den Träger) hindurch sowie in einen Teil des Substrates darunter wird anschließend durch RIE (reaktives lonenätzen) mittels einer herkömmlichen Lackmaske (Erster Lithographieschritt) bis in das Substrat hinein ein Sackloch geätzt. In Figur 3a ist das Produkt dieser beiden Schritte zu sehen; das dort verwendete Siliziumsubstrat 1 ist auf seiner oberen Seite mit einer Dreifach- Schichtfolge (Oxid/Nitrid 2, poly-Si 3, Oxid/Nitrid 4, wobei es sich bei dem Oxid bzw. Nitrid vorzugsweise um eine Verbindung des Siliziums handelt) und rückseitig ebenfalls mit einer (Silizium-)Oxid- oder -Nitrid-Schicht 2' versehen, die jedoch zumindest zu diesem Zeitpunkt dort nicht vorhanden sein muss. Es sei angemerkt, dass in allen nachfolgenden Figuren identische Bezugsziffern verwendet werden.
Nach dem Entfernen des Lacks (Abschluss des ersten Lithographie-Schritts zur Ausbildung des Sacklochs) und einem oder mehreren fakultativen Reinigungsprozessen zur Säuberung des Substrates vor allem von organischen Verunreinigungen, zum Beispiel mithilfe einer RCA- Reinigung, wird über ein geeignetes Verfahren, vorzugsweise ein CVD- und insbesondere LPCVD-Verfahren, eine Schutzschicht, zum Beispiel ein Oxid, in dem Sackloch abgeschieden, welche das Sackloch vollständig auskleidet. Dies gelingt beispielsweise durch ein CVD- Verfahren unter Verwendung von TEOS (Tetraethoxysilan), wobei Siliziumoxid abgeschieden wird. Anschließend wird die Schutzschicht zumindest vom Boden des Sacklochs wieder entfernt. Wenn es sich bei der Schutzschicht um ein Oxid handelt, ist dies beispielsweise durch anisotropes Ätzen mit Hilfe von RIE möglich, so dass die Schutzschicht nur an den (meist senkrechten) Wänden des Sackloches erhalten bleibt. Das Produkt dieser weiteren
Verfahrensschritte ist in Figur 3b zu sehen, worin die Siliziumoxid-Schutzschicht mit der Bezugsziffer 6 bezeichnet ist.
An diesem Punkt wird die Form der späteren Membran festgelegt bzw. vorbereitet: Diese kann den Wänden des Sacklochs entsprechen, oder es können weitere Ätzschritte vorgenommen werden, mit denen weiteres Material aus dem Substrat in der Umgebung des Sacklochs entfernt wird. Dabei handelt es sich in der Regel um einen isotropen Ätzprozess, mit dem sich zum Beispiel eine Hinterschneidung des Sacklochs sowie gerundete Formen erzielen lassen, was in Hinblick auf die Form der späteren Membran günstig ist. Als Ätzgas hierfür eignen sich die üblichen Ätzgase für Silizium in der IC-Technologie, zum Beispiel eines der Gase SF6, CF4 und CHF3 sowie ein Gemisch zweier oder mehrerer dieser Gase. Das Produkt dieses Schritts, d.h. die Ausbildung einer vom Sackloch abweichenden Form für die spätere Membran, ist schematisch in Fig. 3c zu sehen. Das (in dieser Ausführungsform gerundete) Sackloch ist mit der Bezugsziffer 5 bezeichnet. Nach Festlegung der Form des Sacklochs wird dieses in einer ersten, bedeutenden
Ausgestaltung der Erfindung isotrop mit einer Schicht ausgekleidet, die eine Schlüsselstellung für das weitere Vorgehen darstellt: Entweder wird diese Schicht später in die poröse Membran überführt, oder sie dient als Hilfsschicht zur Herstellung der porösen Membran. In einer Reihe von wichtigen Ausführungsformen, die nachstehend näher erläutert werden, handelt es sich bei dieser Schicht um eine Siliziumoxidschicht. Sofern das Sackloch nicht durch Ätzung aufgeweitet wurde und die Siliziumoxid-Schutzschicht 6 noch vollständig vorhanden ist, kann die Schicht 6 zu diesem Zweck genutzt werden. In der Regel, und insbesondere dann, wenn das Sackloch erst durch den genannten Ätzschritt seine endgültige Form erhalten hat, (wobei das Oxid aufgrund seiner Nutzung als Ätzmaskierung natürlich nur noch in den ungeätzt gebliebenen Halsbereichen des Sacklochs verblieben ist,) wird dieses Oxid entfernt, und eine neue
Oxidschicht wird konform in dem ggf. erweiterten Sackloch abgeschieden, die die geätzte Kavität vollständig auskleidet, vorzugsweise mit einer Dicke von 0, 1 bis 2 μηη. Hierfür kann beispielsweise das oben genannte LPCVD-Verfahren eingesetzt werden. Soll die poröse Membran allerdings aus einem anderen Material als Siliziumoxid gebildet werden, kann in diesem Schritt das Sackloch nach Entfernen der Oxidschicht 6 isotrop mit einem solchen
Material ausgekleidet werden, das nach Wunsch und unter Berücksichtigung der verschiedenen dafür nutzbaren Verfahren zum Erzeugen der Poren ausgewählt wird.
Der Fachmann kennt eine Vielzahl von Verfahren zum Erzeugen von Poren in dünnen
Schichten, und diese können dem Grunde nach ohne Einschränkung eingesetzt werden, wobei natürlich die jeweiligen Gegebenheiten (z.B. die Verträglichkeit der übrigen Komponenten für die Temperatur, bei der das gewählte Verfahren mindenstens durchgeführt werden muss), zu berücksichtigen sind. Beispiele für Materialien, die in eine poröse Membran überführt werden oder als Hilfsschicht hierfür dienen können, sind neben Siliziumoxid CVD-abgeschiedenes poly- Si oder Siliziumnitrid, durch Sputtern oder galvanisch aus flüssiger Phase oder durch ALD (atomic layer deposition) aufgebrachte Metalle wie Aluminium oder Gold sowie organische Polymere wie Polystyrol oder Parylene. Je nach Bedarf kann die Abscheidung weiterer Schichten, zum Beispiel einer temporären Stützschicht zur Versteifung der 3D-Strukur vor und/oder während der Ausbildung der porösen Membran oder einer Schicht, die als Hilfsschicht für die spätere Erzeugung der Poren im Membranmaterial gewählt wird, und/oder einer Ätzschutzschicht bei der Freistellung der 3D- Struktur, erforderlich oder günstig sein und der Abscheidung der genannten Schicht folgen. Als temporäre Stützschicht kann zum Beispiel poly-Si dienen, abgeschieden mittels LPCVD, oder ein Metall, abgeschieden durch Sputtern, CVD oder aus der flüssigen Phase, zum Beispiel durch galvanisches Abscheiden. Als Ätzschutzschicht können neben poly-Si oder Siliziumoxid verschiedene Metalloxide dienen, abgeschieden mittels ALD, wie zum Beispiel Al203, Ti02, Zr02. Für die Ausbildung von Poren in der Membran kann ebenfalls poly-Si, abgeschieden durch LPCVD, oder eine Metallschicht, abgeschieden durch Sputtern, erforderlich sein.
Voraussetzung ist in allen Fällen, dass der Abscheideprozess eine vollständige und möglichst konforme Auskleidung der im Substrat erzeugten 3D-Kavität gewährleistet. Gegebenenfalls werden die temporäre Stützschicht und/oder die anderen Hilfsschichten anschließend unter Verwendung einer herkömmlichen Lackmaske in einem zweiten Lithographieschritt mittels entsprechender Ätzprozesse von der Substratoberfläche entfernt. Der Einfachheit halber ist in Fig. 3d neben dem die 3D-Struktur auskleidenden Material 7 (der Schicht, die später in die poröse Membran überführt wird oder als Hilfsschicht dafür dient und die in vielen
Ausführungsformen aus Siliziumoxid besteht) nur eine temporäre Stützschicht 8 dargestellt. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die mit allen anderen Ausführungsformen (und auch solchen, die erst nachstehend erläutert werden) kombiniert werden kann, werden auf der Trägeroberfläche, vorzugsweise in der Nähe der Sackloch-Öffnung, geeignete
Metallelektroden abgeschieden und strukturiert (zum Beispiel aus einem Metall wie Pt, Au, Ir), was in Fig. 3e verdeutlicht ist (dort sind die Elektroden mit der Bezugsziffer 9 bezeichnet). Die Metallelektrode(n) kann/können zum Beispiel durch einen Liftoff-Prozeß erzeugt werden. Dazu wird auf das Substrat (bzw. die obere Si02-Schicht des Trägermaterial-Stacks) eine Lackmaske aufgebracht. Danach wird das Metall abgeschieden, zum Beispiel durch Aufdampfen. Danach wird das Substrat einem Lösungsmittel ausgesetzt. Die Lackmaske wird aufgelöst und das darauf befindliche Metall vom Substrat entfernt. An den Stellen, wo sich kein Lack befand, verbleibt das Metall auf der Oberfläche. Dieser Schritt wird als "dritter Lithographieschritt" bezeichnet. Die Abscheidung der Metallelektroden wird vorzugsweise nach der Ausbildung der vorstehend beschriebenen Schichten und vor der nachstehend erläuterten Freistellung der 3D- Struktur vorgenommen; dieser Schritt kann aber auch bereits voher oder erst nach der
Freistellung der 3D-Struktur erfolgen. Im nächsten Verfahrensschritt wird die 3D-Struktur freigestellt. Hierfür muss das die 3D-Struktur umgebende Material des Substrats, also Silizium im Falle eines Siliziumchips oder -wafers, entfernt werden. Dazu wird auf der Rückseite des Substrats, die ja in der Regel bereits mit einer Oxid- oder Nitridschicht bedeckt ist, eine Ätzöffnung definiert (dieser Schritt wird als vierter Lithographieschritt bezeichnet), oder die gesamte Substratfläche wird freigelegt. Die
Vorderseite wird durch eine geeignete Schutzschicht, zum Beispiel einen Photolack, passiviert. Das Material des Substrats wird anschließend mittels bekannter Verfahren an den gewünschten Stellen weggeätzt. Im Falle von Si als Substrat kann dies mittels DRIE (deep reactive ion etching) und/oder in XeF2-Gasphase erfolgen. Die freigelegten 3D-Strukturen bleiben dabei in der zu Anfang des Prozesses erzeugten, dicken poly-Si-Schicht (dem Trägermaterial) verankert, siehe Fig. 3e. Das ursprünglich vorhandene Substrat kann vollständig weggeätzt werden, oder es können für spezifische Zwecke benötigte Teile stehen bleiben, die
beispielsweise später als Trägersäulen 10 oder dergleichen dienen können, wie sie in Fig. 3e zu sehen sind. Der Schutzlack von der Vorderseite wird bevorzugt im 02-Plasma entfernt. Die Verwendung von Lösungsmitteln ist jedoch ebenfalls möglich.
Zur Herstellung von Poren in der nun freistehenden 3D-Struktur kann zum Beispiel unter Verwendung der Breath-Figure-Methode ein Polymer-Film 1 1 mit einem Array bevorzugt monodisperser Poren erzeugt werden, der die gesamte Rückseite bedeckt, siehe Fig. 3f. Das Aufbringen des Polymers kann zum Beispiel aus einer Lösung, beispielsweise aus einer Polystyrol-Lösung in einem organischen Lösungsmittel, erfolgen. Anschließend können die Poren im Polymer-Film durch Trockenätzen (Reactive Ion Etching, RIE), wie es in der
Halbleitertechnologie Standard ist, in das Material der 3D-Struktur, das in eine poröse Membran überführt werden kann, übertragen werden, wobei dieses in dieser Ausführungsform
vorzugsweise aus Siliziumoxid besteht, aber statt dessen auch aus poly-Si oder Siliziumnitrid, abgeschieden mittels CVD, oder einem Metall wie Aluminium oder Gold, abgeschieden durch Sputtern oder durch galvanische Abscheidung aus einer flüssigen Phase oder durch ALD erzeugt, oder einem Stack aus mehreren Schichten solcher oder vergleichbarer Materialien übereinander bestehen kann. In Abhängigkeit vom Prozess zur Überführung des Materials der 3D-Struktur in eine poröse Membran muss die Vorderseite des Substrates unter Umständen durch eine geeignete Schutzschicht passiviert werden, zum Beispiel einen Photolack, um eine Beschädigung der darauf befindlichen Strukturen und Schichten zu vermeiden.
Anstelle des porösen Polymer-Films in Fig. 3f kann auch ein Array monodisperser Partikel auf der Rückseite aufgebracht werden. Die Partikel können zum Beispiel aus einem organischen Material bestehen, wie Polystyrol (PS), Polymethylmethacrylat (PMMA) oder Latex, oder aus einem anorganischen Material wie Siliziumoxid. Die Größe der Partikel sollte so gewählt werden, dass der Abstand zwischen benachbarten Partikeln im Array der gewünschten
Porengröße in etwa entspricht. Durch Trockenätzen (Reactive Ion Etching, RIE), wie es in der Halbleitertechnologie Standard ist, kann die Porengeometrie des Partikelarrays in das Material der 3D-Struktur übertragen werden. Wiederum ist dieses Material vorzugsweise Siliziumoxid; es kann sich dabei aber auch um die im vorhergehenden Absatz genannten Materialien handeln. Im letzten Verfahrensschritt wird/werden selektiv zur porösen Membran die weitere(n) vorhandene(n) Schichten, also die temporäre Stützschicht 8 und/oder die Hilfs- und/oder die Ätzschutzschicht(en), von der Innenseite der 3D-Struktur entfernt, so dass nur die poröse Membran verbleibt, wie aus Fig. 3g ersichtlich. Die hierfür erforderlichen Ätzprozesse müssen eine hohe Selektivität relativ zum Membranmaterial aufweisen. Besteht die Stützschicht aus poly-Si, kann dieses durch zeitkontrolliertes Ätzen in einer XeF2-Gasphase entfernt werden. Schon freiliegende Siliziumflächen werden dabei etwas angegriffen. Außer Silizium ätzt XeF2 nur einige Metalle, wie Mo und W, und geringfügig auch Siliziumnitrid. Siliziumoxid, alle anderen Metalle oder Metalloxide sowie organische Materialien werden hingegen nicht geätzt. Das Ätzgas kann jedoch unter Umständen, insbesondere bei längeren Prozessen, in organische
Materialien eindringen. Daher wird der poröse Polymer-Film von der Außenseite der 3D-Struktur bevorzugt ebenfalls entfernt. Das kann mittels 02-Plasma erfolgen. Das Übertragen der Porenstruktur des Polymer-Films in Fig. 3f sollte bevorzugt aus der Gasphase oder mittels eines Plasmas erfolgen. Die poröse 3D-Struktur kann auch durch einen organischen Polymer-Film als solchen gebildet werden. In diesem Fall kann zum Beispiel unter Verwendung der Breath-Figure-Methode ein Polymer-Film 1 1 mit einem Array bevorzugt monodisperser Poren erzeugt werden.
Anschließend werden sowohl die temporäre Stützschicht 8 als auch das (in diesem Fall bevorzugt verwendete) Siliziumoxid 7 durch Ätzen in der Gasphase entfernt, so dass nur der poröse Polymer-Film 1 1 stehen bleibt. Das Siliziumoxid 7 dient in dieser Ausgestaltung als Hilfsschicht für die Ausbildung der späteren Membran.
Die Größe der Poren in der freistehenden 3D-Strukur, deren mechanische Stabilität und physikalisch-chemische Eigenschaften können durch das Abscheiden weiterer Schichten gezielt optimiert werden. Die Schichtabscheidung erfolgt auf die Rückseite des Substrates, aus der die porösen 3D-Strukturen herausragen. Da die freistehenden 3D-Strukturen empfindlich sind, werden Prozesse bevorzugt, die sich durch eine konforme Beschichtung aus der
Gasphase bei möglichst niedrigen Prozesstemperaturen auszeichnen. Beispiele sind die Abscheidung von Parylen mittels CVD oder die Abscheidung von Metalloxiden oder- nitriden mittels Atomic Layer Deposition. Die freistehende 3 D-Struktur wird zumindest auf der äußeren Oberfläche und in den Porenöffnungen beschichtet, so dass sich der Durchmesser der Poren gleichmäßig verringert. Bevorzugt wird die 3D-Struktur jedoch allseitig mit einer Schicht 12 beschichtet, siehe Fig. 4.
In einer alternativen Ausführung besteht die freistehende 3D-Struktur aus Metall, das erst nach Freistellen der 3D-Struktur auf der Siliziumdioxidschicht erzeugt wird, oder ein solches Metall wird für die Porenbildung genutzt. Dafür kann zum Beispiel ein Array monodisperser Partikel, wie schon beschrieben, als Form für eine galvanische Abscheidung genutzt werden. Dazu muss auf die freigestellte 3D-Struktur gemäß Fig. 3e eine Galvanikstartschicht, zum Beispiel aus Gold, aufgebracht werden, zum Beispiel durch Sputtern. Auf der Galvanikstartschicht wird dann das Partikelarray erzeugt, analog zum Polymer-Film wie für Fig. 3f beschrieben. Nach der galvanischen Abscheidung eines geeigneten Metalls wie zum Beispiel von Gold, Nickel oder Kupfer in den Zwischenräumen des Partikelarrays werden die Partikel in einem geeigneten Lösungsmittel entfernt. Anschließend muss die Galvanikstartschicht aus den Poren
herausgeätzt werden. Sodann kann durch Trockenätzen (Reactive Ion Etching, RIE), wie es in der Halbleitertechnologie Standard ist, eine Übertragung der Porenstruktur in das Siliziumoxid der 3D-Struktur erfolgen. Als Alternative kann auf das Trockenätzen verzichtet und nach dem Entfernen der temporären Stützschicht 8 auch noch das Siliziumoxid weggeätzt werden, das in diesem Fall wiederum als Hilfsschicht für die Ausbildung der späteren Membran gedient hat. Das Oxid kann zum Beispiel in HF-Gasphase mit hoher Selektivität zu vielen anderen
Materialien entfernt werden. In dieser Gasphase wird außer Siliziumoxid nur noch Siliziumnitrid angegriffen, poly-Si, Metalle oder Metalloxide dagegen nicht. Organische Materialien werden ebenfalls nicht geätzt. Bei langen Ätzprozessen kann das HF jedoch in manche organischen Materialien eindringen und zu Defekten (Rissen, Delamination) führen, weshalb eine solche Kombination weniger günstig ist.
In einer zweiten, grundlegend anderen Ausgestaltung des Verfahrens wird die poröse Membran nicht erst nach der Freistellung der 3D-Struktur von der Rückseite her erzeugt, sondern als Teil der Schichtfolge, die die Ausnehmung im Substrat gemäß Fig. 3d auskleidet. Das hat den
Vorteil, dass die Herstellungsbedingungen des Membranmaterials weniger eingeschränkt sind, da noch keine empfindliche freistehende 3D-Struktur vorhanden ist. Zum Beispiel sind viel höhere Temperaturen möglich. In diesem Falle wird in der Prozesssequenz gemäß Fig. 3d vorzugsweise erst Siliziumoxid als temporäre Stützschicht 13 und darauf das eigentliche Membranmaterial 14 in geeigneter Dicke, vorzugsweise in einer Dicke von 0, 1 bis 2 μηη, abgeschieden, was in Fig. 5a dargestellt ist. In einer bevorzugten Ausführungsform ist es schon intrinsisch porös. Intrinisch porös sind zum Beispiel dünne poly-Si-Schichten, die im
Epitaxiereaktor bei Temperaturen von 900-1000°C abgeschieden wurden. Viele Dielektrika- wie auch Metall-Schichten sind nanoporös, wenn sie bei geringen Temperaturen (bei bis zu 250°C) abgeschieden wurden. Durch Ätzen können die Nanoporen aufgeweitet werden. In Aluminium lassen sich durch anodische Oxidation Poren erzeugen. Für die Anodisierung wird unter dem Aluminium noch eine leitende Hilfsschicht benötigt, zum Beispiel aus Gold.
Nach dem Ausbilden der porösen Membran als Innenschicht wird die 3D-Struktur in analoger Weise freigestellt wie bei den voranstehend beschriebenen Ausführungsformen. Fig. 5b zeigt das Bauelement nach Freistellung der 3D-Struktur analog zu Fig. 3e. Die poröse Membran 14 ist auf der Außenseite noch von der Siliziumoxidschicht 13 bedeckt, dem ersten Material, mit dem das die Form der 3D-Strukur vorgebende Sackloch im Substrat ausgekleidet wurde. Wurden die Poren durch anodische Oxidation in Aluminium erzeugt, kann die dabei benötigte Hilfsschicht anschließend durch nasschemisches Ätzen in einem geeigneten Lösungsmittel entfernt werden. Alternativ können die Poren auch in die Hilfsschicht übertragen werden, z.B. durch einen Trockenätzprozess. Dabei dienen die schon vorhandenen Poren in der
anodisierten Aluminiumschicht als Maskierung.
Das fertige Bauelement nach Entfernen des Siliziumoxides ist in Fig. 5c dargestellt. Wie schon beschrieben, kann das Oxid 13 zum Beispiel in einer HF-Gasphase entfernt werden.
Wenn für das spätere fertige Bauelement keine Trägersäulen oder dergleichen aus dem
Substratmaterial benötigt werden, kann dieses auch auf mechanischem Wege vollständig entfernt bzw. gedünnt werden. In diesem Falle wird das Substrat vor dem Erzeugen der Maskierung (vierter Lithographieschritt) auf der Rückseite gemäß Fig. 3e und Fig. 5b durch Schleifen und Polieren auf die erforderliche Dicke gedünnt. Es kann auch durch weiteres Schleifen/Polieren und abschließendes ganzflächiges Ätzen vollständig entfernt werden. In diesem Fall entfällt die Maskierung. In manchen Ausführungsformen der Erfindung ist es gewünscht, über der oder den Öffnungen, die von der Membran verschlossen sind, Fluidkanäle vorzusehen bzw. auszubilden. In Fig. 6 ist eine solche Ausgestaltung gezeigt. In diesen Fällen wird in günstiger Weise ein Trägersubstrat 15 auf der Vorderseite des Trägers aufgebracht oder montiert, zum Beispiel durch Aufbonden mittels einer Klebstoffschicht, bevor das Siliziumsubstrat teilweise oder vollständig entfernt wird. In dieses Trägersubstrat können ein oder mehrere fluidische Kanäle integriert sein, bzw. solche Kanäle 16 können zwischen der Vorderseite des beschichteten Polysilizium-Stacks und dem Trägersubstrat geformt werden. Es sollte klar sein, dass jede Membranstruktur auf dem Wafer oder Chip wie zum Beispiel in Fig. 1 gezeigt mit einem solchen Trägersubstrat versehen sein kann. Des Weiteren können sich auch die Elektroden 9 statt auf der Vorderseite des Trägers in den Kanälen 16 des Trägersubstrates 15 befinden.
Je nach Anwendungszweck werden Strukturen, die auf ganzen Wafern oder größeren Chips erzeugt wurden und eine Mehrzahl oder eine Vielzahl von porösen Membranstrukturen tragen, gegebenenfalls vereinzelt, zum Beispiel durch Zersägen des Wafers. Im vereinzelten oder einzelnen fertigen Bauelement können ebenfalls nur eine oder aber auch mehrere poröse Membranstrukturen vorhanden sein. Hierdurch lassen sich entweder einzelne Messungen oder gleichzeitige Multiparametermessungen oder gleichzeitige Messungen verschiedener
Materialien durchführen.
Die erfindungsgemäßen, mit einer porösen Membran versehenen Bauelemente eignen sich für elektrochemische Messungen und Charakterisierungen von Transmembranproteinen, die in die nanoporösen 3-D-Strukturen eingebaut werden. Ein derartiger Porenchip kann direkt in einen Reaktor für zum Beispiel zellfreie Proteinsynthese eingebaut werden, da er klein, günstig herzustellen und als Einwegartikel konzipiert ist. Die synthetisierten Proteine werden dabei direkt in die lipidtragenden Nanoporen eingebaut und gemessen. Da die mikrostrukturierten Elektroden den Poren direkt benachbart sind, kann mit dem erfindungsgemäßen Bauelement hochempfindlich gemessen werden; aufgrund der günstigen Herstellungskosten und der einfachen Bauart kann jedes Bauelement nach dem Gebrauch verworfen und durch ein neues Bauelement ersetzt werden.

Claims

Ansprüche
1. Bauelement, umfassend einen Träger aus einem strukturierbaren Material mit mindestens einer durchgehenden Öffnung, die von einer porösen Membran verschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Membran aus der die durchgehende Öffnung
umgebenden Fläche des Bauelements herausragt.
2. Bauelement nach Anspruch 1 , worin der Träger aus mindestens zwei Schichten
aufgebaut ist, wobei eine erste Schicht aus einem Oxid oder Nitrid oder Oxynitrid besteht und eine zweite Schicht aus Polysilizium besteht und die poröse Membran auf der von der Polysiliziumschicht gebildeten Seite aus der Fläche des Bauelements herausragt.
3. Bauelement nach Anspruch 2, worin der Träger mindestens eine dritte Schicht aufweist, die sich auf der der ersten Schicht abgewandten Seite des Polysiliziums befindet.
4. Bauelement nach Anspruch 2, weiterhin umfassend ein Substrat aus einem
strukturierbaren Material, vorzugsweise ein Siliziumsubstrat, sowie auf der Oberseite des Substrats eine Oxid-, Nitrid- oder Oxynitridschicht, die sich zumindest bereichsweise in unmittelbarer oder mittelbarer Nachbarschaft zur Polysiliziumschicht des Trägers befindet.
5. Bauelement nach einem der Ansprüche 2 bis 4, worin das Oxid oder Nitrid oder Oxynitrid der Schicht oder der Schichten ein Siliziumoxid, -nitrid oder -oxynitrid ist.
6. Bauelement nach einem der voranstehenden Ansprüche, umfassend eine Mehrzahl von durchgehenden Öffnungen, die jeweils von einer porösen Membran verschlossen sind, wobei zumindest ein Teil oder alle porösen Membranen aus der die durchgehende Öffnung umgebenden Fläche des Bauelements herausragen und vorzugsweise dieselbe Form und dieselben Maße besitzen.
7. Bauelement nach einem der voranstehenden Ansprüche, worin sich auf der der Membran abgewandten Seite des Bauelements in Nachbarschaft zu der mindestens einen durchgehenden Öffnung oder Pore mindestens eine Elektrode befindet.
8. Bauelement nach einem der voranstehenden Ansprüche, worin die poröse Membran aus Silizium, Siliziumoxid, Aluminiumoxid, einem mit Siliziumoxid oder einem Metalloxid beschichteten Metall, einem Metall, insbesondere Aluminium oder Gold, Siliziumnitrid, Polystyrol, Polymethylmethacrylat (PMMA), Latex oder Parylen besteht.
9. Bauelement nach einem der voranstehenden Ansprüche, worin die durchgehende
Öffnung einen Durchmesser zwischen 5 und 100 μηη besitzt und die poröse Membran Poren aufweist, deren Durchmesser durchschnittlich im Bereich zwischen 50 und 1000 nm, vorzugsweise zwischen 100 und 500 nm liegt.
10. Bauelement nach einem der voranstehenden Ansprüche, umfassend weiterhin ein
Trägersubstrat, wobei eine zum Bauelement weisende Seite des Trägersubstrats und die gegenüberliegende Seite des Bauelements vorzugsweise einen Fluidkanal bilden, wobei im bevorzugten Fall die mindestens eine durchgehende Öffnung des Trägers auf ihrer unverschlossenen Seite mit dem Fluidkanal kommuniziert.
1 1. Verwendung eines Bauelements nach einem der voranstehenden Ansprüche zum Einbau und zur elektrochemischen Vermessung von Transmembranproteinen, vorzugsweise in Doppel-Lipidschichten.
12. Verfahren zum Herstellen eines Bauelements nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
umfassend die folgenden Schritte:
(a) Bereitstellen eines Substrats aus einem strukturierbaren Material, auf dessen
Vorderseite sich ein Träger aus einem ebenfalls strukturierbaren Material befindet, (b) Aufbringen einer Maske auf die Vorderseite des Trägers und Ätzen eines Sacklochs durch den Träger hindurch bis in das Substrat hinein an der Stelle, an der sich später die mindestens eine Öffnung befinden soll,
(c) isotropes und konformes Abscheiden einer Schicht aus einem Material in dem Sackloch, das zur Überführung in eine poröse Membran oder als Hilfsschicht für deren Erzeugung vorgesehen ist,
(d) sofern gewünscht, isotropes und konformes Abscheiden mindestens einer weiteren Schicht auf der Schicht aus dem Material, das zur Überführung in eine poröse Membran oder als Hilfsschicht für deren Erzeugung vorgesehen ist, ausgewählt unter
Stützschichten, Ätzschichten und Hilfsschichten zur Erzeugung von Poren in der gemäß Schritt (c) aufgebrachten Schicht,
(e) Freistellen des Materials, das zur Überführung in eine poröse Membran oder als Hilfsschicht für deren Erzeugung vorgesehen ist, durch Wegätzen von rückseitigem Substratmaterial, umfassend das Passivieren der Vorderseite des Trägers und solcher Bereiche der Rückseite des Substrats, die nicht angegriffen werden sollen, und Ätzen des Substratmaterials mit Hilfe von DRIE oder XeF2-Gas,
(f) Erzeugen von Poren in der Schicht aus dem Material, das zur Überführung in eine poröse Membran vorgesehen ist, oder Erzeugen einer porösen Schicht auf der Schicht, die als Hilfsschicht hierfür vorgesehen ist, (g) ggf. Entfernen der Schicht oder der Schichten, die gemäß Schritt (d) abgeschieden wurden, und/oder der Hilfsschicht.
3. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Material der Schicht, die gemäß Schritt (c) abgeschieden wird, sowie Schritt (f) aus einer der folgenden Kombinationen (i) bis (iv) gewählt wird:
(i) das Material der Schicht, die gemäß Schritt (c) abgeschieden wird, wird ausgewählt unter Siliziumoxid, Polysilizium, Siliziumnitrid oder einem Metall, insbesondere Aluminium oder Gold; Schritt (f) umfasst: das außenseitige Aufbringen einer Schicht aus einem organischen Polymer, das Erzeugen von Poren im organischen Polymer mit Hilfe der Breath-Figure-Methode und das Übertragen der Poren in das Material der Schicht, die gemäß Schritt (c) abgeschieden wurde, durch Trockenätzen,
(ii) das Material der Schicht, die gemäß Schritt (c) abgeschieden wird, wird ausgewählt unter Siliziumoxid, Polysilizium, Siliziumnitrid oder einem Metall, insbesondere Aluminium oder Gold; Schritt (f) umfasst: das außenseitige Aufbringen eines Arrays monodisperser Partikel aus einem organischen oder anorganischen Material derart, dass die Abstände zwischen den Partikeln der gewünschten Porengröße entsprechen, und Übertragen der Porengeometrie der Partikelarrays in die Schicht, die gemäß Schritt (c) abgeschieden wurde, durch Trockenätzen,
(iii) das Material der Schicht, die gemäß Schritt (c) abgeschieden wird, besteht aus Siliziumoxid; Schritt (f) umfasst das außenseitige Aufbringen einer Schicht aus einem organischen Polymer, das Erzeugen von Poren im organischen Polymer mit Hilfe der Breath-Figure-Methode und das Wegätzen der Siliziumschicht durch Gasphasen-Ätzen,
(iv) das Material der Schicht, die gemäß Schritt (c) abgeschieden wird, besteht aus Siliziumoxid; Schritt (f) umfasst in der angegebenen Reihenfolge das außenseitige Aufbringen einer Galvanik-Startschicht, das Aufbringen eines Arrays monodisperser Partikel auf der Galvanik-Startschicht, das galvanische Abscheiden eines Metalls, das Entfernen der Partikel mit Hilfe eines Lösungsmittels, das Herausätzen der
Galvanikstartschicht aus den dabei erhaltenen Poren und entweder das Übertragen der Porenstruktur in die Siliziumoxidschicht durch Trockenätzen oder das Wegätzen der Siliziumoxidschicht.
4. Verfahren zum Herstellen eines Bauelements nach einem der Ansprüche 1 bis 10, umfassend die folgenden Schritte:
(a) Bereitstellen eines Substrats aus einem strukturierbaren Material, auf dessen Vorderseite sich ein Träger aus einem ebenfalls strukturierbaren Material befindet, 1 b
(b) Aufbringen einer Maske auf die Vorderseite des Trägers und Ätzen eines Sacklochs durch den Träger hindurch bis in das Substrat hinein an der Stelle, an der sich später die mindestens eine Öffnung befinden soll,
(c') isotropes und konformes Abscheiden einer Schicht aus Siliziumoxid in dem Sackloch,
(d') isotropes und konformes Abscheiden einer porösen Schicht oder einer nicht-porösen Schicht auf der Siliziumoxidschicht, wobei im Falle des Abscheidens einer nicht-porösen Schicht diese anschließend mit Poren versehen wird,
(e') Freistellen der gemäß Schritt (c') abgeschiedenen Siliziumoxidschicht durch
Wegätzen von rückseitigem Substratmaterial, umfassend das Passivieren der Vorderseite des Trägers und solcher Bereiche der Rückseite des Substrats, die nicht angegriffen werden sollen, und Ätzen des Substratmaterials mit Hilfe von DRIE oder XeF2-Gas,
(g') Wegätzen der gemäß Schritt (c') abgeschiedenen Siliziumoxidschicht.
15. Verfahren nach Anspruch 14, worin Schritt (d') ausgewählt ist unter:
(i) Abscheiden einer intrinsisch porösen Polysiliziumschicht im Epitaxiereaktor bei Temperaturen von 900-1000°C,
(ii) Abscheiden einer nanoporösen Dielektrikum- oder Metallschicht bei einer Temperatur von < 250°C,
(iii) Abscheiden einer leitenden metallischen Hilfsschicht und darauf einer
Aluminiumschicht und Erzeugen von Poren in der Aluminiumschicht durch anodische Oxidation.
16. Verfahren nach Anspruch 12 oder 14, worin die Abscheidung gemäß Schritt (c) bzw. (d') in einer Dicke von 0, 1 bis 2 μηη erfolgt.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, worin der Träger auf dem Substrat durch das nacheinander erfolgende Abscheiden einer Dreifachschicht auf dem Substrat erzeugt wird, wobei die erste Schicht aus einem Oxid, einem Nitrid oder einem Oxynitrid des
Siliziums oder eines Metalls, die zweite Schicht aus Polysilizium und die dritte Schicht aus einem Oxid besteht.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, umfassend das Abscheiden von
Metallelektroden auf der Vorderseite des Trägers in der Nähe der mindestens einen durchgehenden Öffnung, dadurch gekennzeichnet, dass das entsprechende Metall nach dem Aufbringen einer Maske abgeschieden und die Maske anschließend nasschemisch, insbesondere mittels des Lift-Off- Verfahrens, entfernt wird.
19. Verfahren nach Anspruch 18, worin die Metallelektroden nach Schritt (d) bzw. (d')
ausgebildet werden.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 19, weiterhin umfassend
im Anschluss an den Schritt (b) und vor dem Schritt (c) bzw. (c') das Aufbringen einer Schutzschicht in dem Sackloch und das Entfernen dieser Schutzschicht von der Bodenfläche des Sacklochs und gegebenenfalls angrenzenden Bereichen, und
Durchführen eines isotropen Ätzschritts unter Vergrößerung des Sacklochs,
und/oder
nach Abschluss des letzten Verfahrensschritts gemäß Anspruch 1 1 oder 13 das Dünnen oder Abtragen des (restlichen) rückseitigen Substratmaterials und/oder
(k) das Aufbringen eines Trägersubstrats auf dem Bauelement, wobei eine zum
Bauelement weisende Seite des Trägersubstrats und die gegenüberliegende Seite des Bauelements vorzugsweise einen Fluidkanal bilden.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 20, weiterhin umfassend das Modifizieren der Größe der Poren in der Membran und/oder das Modifizieren der mechanischen Stabilität und oder der physikalisch-chemischen Eigenschaften der Membran durch Beschichten mindestens der äußeren Oberfläche der Membran und vorzugsweise der Porenöffnungen.
EP15784646.0A 2014-10-31 2015-10-21 Bauelement auf basis eines strukturierbaren substrats mit dreidimensionaler, poren im nm-bereich aufweisender membranstruktur und halbleitertechnologisches verfahren zu dessen herstellung Withdrawn EP3213068A1 (de)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102014115884 2014-10-31
DE102015101425.4A DE102015101425B4 (de) 2014-10-31 2015-01-30 Verfahren zur Herstellung eines Bauelements auf Basis eines strukturierbaren Substrats mit dreidimensionaler, Poren im nm-Bereich aufweisender Membranstruktur
PCT/EP2015/074416 WO2016066505A1 (de) 2014-10-31 2015-10-21 Bauelement auf basis eines strukturierbaren substrats mit dreidimensionaler, poren im nm-bereich aufweisender membranstruktur und halbleitertechnologisches verfahren zu dessen herstellung

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP3213068A1 true EP3213068A1 (de) 2017-09-06

Family

ID=55753971

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP15784646.0A Withdrawn EP3213068A1 (de) 2014-10-31 2015-10-21 Bauelement auf basis eines strukturierbaren substrats mit dreidimensionaler, poren im nm-bereich aufweisender membranstruktur und halbleitertechnologisches verfahren zu dessen herstellung

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20180038841A1 (de)
EP (1) EP3213068A1 (de)
JP (1) JP2018504579A (de)
CN (1) CN107001029A (de)
DE (1) DE102015101425B4 (de)
WO (1) WO2016066505A1 (de)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10199333B2 (en) * 2017-07-05 2019-02-05 Omnivision Technologies, Inc. Delamination-resistant semiconductor device and associated method
DE102017213070A1 (de) * 2017-07-28 2019-01-31 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verfahren zur Herstellung einer MEMS Spiegelanordnung und MEMS Spiegelanordnung
CN109553673B (zh) * 2017-09-25 2023-04-25 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 一种生物蛋白积木及其制备方法
CN110282599A (zh) * 2019-05-05 2019-09-27 湖南大学 一种镶嵌功能材料微纳孔结构及其制备方法和使用方法
CN112058097B (zh) * 2020-05-15 2021-09-14 山东水发环境科技有限公司 一种正渗透膜材料的制备方法

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6613241B1 (en) * 1999-10-29 2003-09-02 California Insitute Of Technology MEMS elements with integrated porous membranes and method of making the same
DE10353894B4 (de) * 2003-07-11 2007-02-15 Nft Nanofiltertechnik Gmbh Filterelement und Verfahren zu dessen Herstellung
US20070224235A1 (en) * 2006-03-24 2007-09-27 Barron Tenney Medical devices having nanoporous coatings for controlled therapeutic agent delivery
US9403126B2 (en) * 2007-01-10 2016-08-02 The Regents Of The University Of Michigan Ultrafiltration membrane, device, bioartificial organ, and related methods
WO2008134909A1 (de) * 2007-05-07 2008-11-13 Baumer Electric Ag Akustischer wandler
DE102007029445A1 (de) * 2007-06-22 2008-12-24 Werner A. Goedel Verfahren zur Darstellung hierarchisch strukturierter Filme mittels Inkjet-Druck
ES2352581T3 (es) * 2008-06-02 2011-02-21 Boehringer Ingelheim Microparts Gmbh Estructura de lámina microfluídica para dosificar líquidos.
DE102011120394B4 (de) * 2011-12-06 2015-06-25 Universitätsklinikum Freiburg Verfahren und Mikrostrukturvorrichtung zur elektrischen Kontaktierung biologischer Zellen

Also Published As

Publication number Publication date
WO2016066505A1 (de) 2016-05-06
US20180038841A1 (en) 2018-02-08
JP2018504579A (ja) 2018-02-15
DE102015101425A1 (de) 2016-05-04
DE102015101425B4 (de) 2018-02-01
CN107001029A (zh) 2017-08-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102015101425B4 (de) Verfahren zur Herstellung eines Bauelements auf Basis eines strukturierbaren Substrats mit dreidimensionaler, Poren im nm-Bereich aufweisender Membranstruktur
EP2748107B1 (de) Verfahren zur herstellung und ausrichtung von nanowires und anwendungen eines solchen verfahrens
DE69434999T2 (de) Verfahren zur herstellung einer membran
EP2252727B1 (de) Nanodraht-strukturelement
DE69423010T2 (de) Methode zur erzeugung von hohlraumstrukturen
DE102010022929B4 (de) Verfahren zum Herstellen einer Bilipidschicht sowie Mikrostruktur und Messanordnung
Rodriguez et al. Fabrication of silicon oxide microneedles from macroporous silicon
WO2002066596A2 (de) Vorrichtung und verfahren zur untersuchung von ionenkanälen in membranen
DE60311973T2 (de) Substrat und verfahren zum messen elektrophysiologischer eigenschaften von zellmembranen
WO2008028717A1 (de) Mikrosieb zur filterung von partikeln in mikrofluidik-anwendungen und dessen herstellung
DE102009052234A1 (de) Auf Waferebene herstellbarer Chip für Flüssigchromatographie sowie Verfahren für seine Herstellung
DE10161202C1 (de) Verfahren zur Reduktion der Dicke eines Silizium-Substrates
DE102018215255A1 (de) Dreidimensionaler nanostrukturkörper und verfahren zum herstellen eines dreidimensionalen nanostrukturkörpers
DE102006031506A1 (de) Verfahren zur Herstellung von Mikronadeln in einem Si-Halbleitersubstrat
DE10046622B4 (de) Verfahren zur Herstellung einer Membransensoreinheit sowie Membransensoreinheit
EP2663860B1 (de) Mikrostrukturvorrichtung zur messung an molekularen membranen und ein verfahren zur herstellung dieser mikrostrukturvorrichtung
EP1306348B1 (de) Verfahren zur Herstellung einer Membransensoreinheit sowie Membransensoreinheit
EP1716070B1 (de) Mikromechanischer sensor
EP3104170B1 (de) Verfahren zur herstellung einer mikromechanischen feststoffelekrolyt-sensorvorrichtung
DE10055872B4 (de) Verfahren zur Herstellung einer porösen Struktur für ein Sieb oder einen Filter und poröse Struktur für ein Sieb oder einen Filter
DE10229339B4 (de) Chromatographische Trennvorrichtung
DE102009047628B4 (de) Bauelement mit einer mikromechanischen Struktur und Verfahren zu dessen Herstellung
Yunas et al. Effect of DRIE on the structure of Si based filtration pore arrays fabricated with double side aluminium coating layer
Kosar et al. Nanohole arrays for parallel patch-clamping and focal delivery of biochemical factors to cells
WO2012028314A1 (de) Verfahren zur herstellung einer messspitze für ein rastersondenmikroskop sowie messsonde mit nach diesem verfahren hergestellter messspitze

Legal Events

Date Code Title Description
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE INTERNATIONAL PUBLICATION HAS BEEN MADE

PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

17P Request for examination filed

Effective date: 20170531

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

AX Request for extension of the european patent

Extension state: BA ME

RIN1 Information on inventor provided before grant (corrected)

Inventor name: NEBLING, ERIC

Inventor name: KUBICK, STEFAN

Inventor name: LISEC, THOMAS

Inventor name: RUPP, STEFFEN

DAV Request for validation of the european patent (deleted)
DAX Request for extension of the european patent (deleted)
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN

18D Application deemed to be withdrawn

Effective date: 20200603